As maçãs estão entre as frutas mais antigas e reconhecidas do mundo. Mas você já considerou realmente a forma de uma maçã? As maçãs são relativamente esféricas, exceto por aquela covinha característica no topo onde o caule cresce.

Como as maçãs crescem com essa forma distinta?

Agora, uma equipe de matemáticos e físicos usou observações, experimentos de laboratório, teoria e computação para compreender o crescimento e a forma da cúspide de uma maçã.

O artigo é publicado em Física da Natureza .

"As formas biológicas são muitas vezes organizadas pela presença de estruturas que servem como pontos focais, "disse L Mahadevan, a professora de matemática aplicada Lola England de Valpine, da Biologia Organísmica e Evolutiva, e de Física na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e autor sênior do estudo. "Esses pontos focais às vezes podem assumir a forma de singularidades onde as deformações são localizadas. Um exemplo onipresente é visto na cúspide de uma maçã, a covinha interna onde o caule encontra a fruta. "

Mahadevan já havia desenvolvido uma teoria simples para explicar a forma e o crescimento das maçãs, mas o projeto começou a dar frutos quando os pesquisadores foram capazes de conectar observações de maçãs reais em diferentes estágios de crescimento e experimentos de gel para imitar o crescimento junto com teoria e cálculos.

A equipe de pesquisa começou coletando maçãs em vários estágios de crescimento de um pomar no Peterhouse College da University of Cambridge no Reino Unido, (a alma mater de outro famoso amante da maçã, Sir Isaac Newton).

Usando aquelas maçãs, a equipe mapeou o crescimento da covinha, ou cúspide, como eles chamam, hora extra.

Para compreender a evolução da forma da maçã e da cúspide em particular, os pesquisadores se voltaram para uma teoria matemática de longa data conhecida como teoria da singularidade. A teoria da singularidade é usada para descrever uma série de fenômenos diferentes, dos buracos negros, a exemplos mais mundanos, como os padrões de luz no fundo de uma piscina, quebra de gotículas e propagação de fissuras.

"O que é empolgante sobre as singularidades é que elas são universais. A cúspide da maçã não tem nada em comum com os padrões de luz em uma piscina, ou uma gota saindo de uma coluna de água, ainda assim, tem a mesma forma que eles, "disse Thomas Michaels, um ex-pós-doutorado na SEAS e co-autor principal do artigo, agora na University College London. "O conceito de universalidade é muito profundo e pode ser muito útil porque conecta fenômenos singulares observados em sistemas físicos muito diferentes."

Construindo a partir deste quadro teórico, os pesquisadores usaram simulação numérica para entender como o crescimento diferencial entre o córtex da fruta e o núcleo impulsiona a formação da cúspide. Eles então corroboraram as simulações com experimentos que imitaram o crescimento de maçãs usando gel que inchou com o tempo. Os experimentos mostraram que diferentes taxas de crescimento entre o volume da maçã e a região do colmo resultaram em cúspides semelhantes a covinhas.

"Ser capaz de controlar e reproduzir a morfogênese de cúspides singulares em laboratório com kits de ferramentas de materiais simples foi particularmente emocionante, "disse Aditi Chakrabarti, um pós-doutorado na SEAS e co-autor do artigo. "A variação da geometria e da composição dos simuladores de gel mostrou como múltiplas cúspides se formam, como visto em algumas maçãs e outras drupas, como pêssegos, damascos, cerejas e ameixas. "

A equipe descobriu que a anatomia subjacente da fruta, juntamente com a instabilidade mecânica, podem desempenhar funções conjuntas na origem de múltiplas cúspides nas frutas.

"Morfogênese, literalmente a origem da forma, é uma das grandes questões da biologia, "disse Mahadevan." A forma da maçã humilde nos permitiu sondar alguns aspectos físicos de uma singularidade biológica. Claro, agora precisamos entender os mecanismos moleculares e celulares por trás da formação da cúspide, à medida que avançamos lentamente em direção a uma teoria mais ampla da forma biológica. "

Esta pesquisa foi coautoria de Sifan Yin, um estudante visitante da Universidade de Tsinghua e Eric Sun, um ex-aluno de graduação no laboratório.